Energiatehokkaat moottorikäytöt KOULUTUSMATERIAALI

Energiatehokkaat moottorikäytöt KOULUTUSMATERIAALI

Moottorit teollisuudessa Sähkömoottorit ovat teollisuuden suurin yksittäinen sähkön kuluttaja. Keskimäärin Suomen teollisuuden käyttämästä sähköstä 60-70 % kuluu sähkömoottoreissa. Sähkömoottorit ovat normaaliolosuhteissa tehokkaita, luotettavia, pitkäikäisiä ja tarvitsevat suhteellisen vähän kunnossapitoa. Sähkömoottoreiden tehokkuus voi heiketä ja käyttäminen tulla kalliiksi, jos moottoreita ei valita, käytetä ja huolleta oikein. Olemassa olevien moottoriratkaisujen sähkönkulutusta voi vähentää mm. korvaamalla vanhat moottorit energiatehokkailla moottoreilla investoimalla taajuusmuuttajiin kiinnittämällä huomiota moottoreiden käyttöön (toimintapisteoptimointi, säätö ) Moottoriratkaisuja optimoitaessa tulee tarkastella koko prosessia kokonaisuutena, eikä kiinnittää huomiota vain yksittäisiin laitteisiin. 2

Moottorijärjestelmän energiatehokkuuden parantaminen (1/2) Tee järjestelmän tilannekatsaus ennen moottorijärjestelmän tehostamistoimia 1) Järjestelmän kuvaus: Prosessi Käytössä olevien moottoreiden tiedot ja käyttötarkoitukset Nopeudensäädön ja vaihteiston tyyppi Huoltotiheys Tehdyt korjaukset Käyttötunnit 2) Toimintaparametrien kerääminen: Energiankulutus Jännite-epäsymmetria Tehokerroin Kuormitusaste Käyttöprofiili 3) Järjestelmän tehokkuuden arviointi. 3

Moottorijärjestelmän energiatehokkuuden parantaminen (2/2) Kun lähtötilanne on tiedossa, on mahdollista määritellä tarvittavat toimenpiteet energiatehokkuuden parantamiseksi. Moottorijärjestelmän energiatehokkuuteen vaikuttavia tekijöitä: Moottorikuormituksen vähentäminen Moottoreiden tehokkuus Mitoitus Käyttö Sähköverkon laatu Kunnossapito Prosessista riippuu, mitkä energiatehokkuuden parantamistoimenpiteet tuovat parhaan tuloksen investoinnin suuruuden suhteen. Mahdollisia moottorijärjestelmän energiantehokkuuden parantamistoimenpiteitä Säästöpotentiaali % PROSESSIN SUUNNITTELU JA UUDISTAMINEN Energiatehokkaat moottorit 2 8 Oikea mitoitus 1 3 Energiatehokkaiden moottoreiden korjaus 0,5 2 Nopeussäätöinen käyttö -4 50 Tehokas vaihteisto 2 10 Sähköverkon laatu 0,5 3 PROSESSIN KÄYTTÖ Voitelu ja säätö 1 5 Moottoreiden tyypillisiä energiansäästö toimenpiteitä ja niiden energian säästöpotentiaalit. [EU 2003] 4

Kuormituksen vähentäminen Moottorijärjestelmän tehokkuutta parannettaessa kannattaa miettiä voiko moottorin kuormaa vähentää? Helppoja tapoja vähentää moottorien kuormitusta ovat esimerkiksi Paineilmajärjestelmän käyttöpaineen alentaminen ja vuotojen korjaaminen. Tuulettimien lapojen ja kanavien säännöllinen puhdistaminen. Pumppujen oikea mitoittaminen. Lämpimän ilman pääsyn rajoittaminen kylmätiloihin eristeillä ja lastin esijäähdytyksellä. Hihnakuljettimien jännitteen säännöllinen tarkastaminen. Mieti myös onko kyseiselle laitteistolle ylipäätään enää tarvetta? voiko sen korvata muunlaisella laitteistolla? 5

Energiatehokkaat moottorit (1/2) Energiatehokkaat moottorit ovat tyypillisesti 2 6 % normaaleja moottoreita tehokkaampia ja maksavat noin 20 30 % enemmän. Pienempien häviöiden ansiosta energiatehokkaiden moottoreiden lämpötilat laskevat moottorin käyttöikä kasvaa luotettavuus paranee huoltokustannukset vähenevät ylikuormituksen sieto paranee melutaso laskee tehokerroin paranee. 6

Energiatehokkaat moottorit (2/2) MOOTTORIEN IE-HYÖTYSUHDELUOKAT Super premium efficiency IE4 * Premium efficiency IE3 High efficiency IE2 Standard efficiency IE1 Kansainvälisen sähköalan standardijärjestön energiatehokkuusluokitus sähkömoottoreille. * Neljäs luokka (IE4) on varattu markkinoille tuleville, nykyisiä malleja energiatehokkaammille moottoreille. 7

Mitoitus Moottoreita käytetään harvoin täydellä mitoituskuormalla. Keskimäärin moottoreita käytetään 60 % kuormituksella. 50 100 % kuormituksen välillä moottorin hyötysuhde ei juuri muutu, mutta 25 % tai pienemmällä kuormalla moottorin hyötysuhde laskee jyrkästi. Hyötysuhteen ja kuormituksen välinen riippuvuus 7,5 kw:n standardi ja korkean hyötysuhteen moottorille. [ERI 2000] 8

Moottorin oikea mitoitus parantaa energiatehokkuutta Moottorin oikea mitoittaminen parantaa energiatehokkuutta voi vähentää siirtohäviöitä kun tehokerroin pienenee voi vähentää jonkin verran pyörimisnopeutta. 9

Moottoreiden käyttö (1/4) Käynnistäminen Induktiomoottorin käynnistäminen vie jopa 6 7 -kertaisen virran tasaiseen käyttöön verrattuna. Suurimmassa osassa kolmivaiheisista induktiomoottoreista on tähtikolmiokytkin, jonka avulla moottorin kytkentää voi muuttaa. Moottoria käynnistettäessä tähtikytkennässä yksittäisen vaiheen resistanssi on suurempi ja virrantarve pienempi. Moottorin saavutettua täyden käyntinopeutensa, kytkimellä siirretään moottori käymään kolmiossa, jolloin moottori toimii pienemmällä virralla. Pehmeäkäynnistys Helpottaa moottorin käynnistämistä ja vähentää mekaanista kulumista, minkä ansiosta moottorin voi kytkeä useammin päälle ja pois. Tähti ja kolmio kytkentä kolmivaiheiselle moottorille. [ERI 2000] 10

Moottoreiden käyttö (2/4) Nopeussäädetty käyttö Voidaan toteuttaa hihnakäytöillä, vaihteistoilla ja hydraulikytkimillä. Lisäävät järjestelmän tehottomuutta. Taajuusmuuttajilla toteutettu sähkömoottorin nopeudensäätö: Selkeästi tehokkainta moottorinopeuksien ohjausmenetelmää. Tasavirtamoottoreilla muutetaan jännitettä. Oikosulkumoottoreilla muutetaan sekä jännitettä että taajuutta. 11

Moottoreiden käyttö (3/4) Nopeussäädetty käyttö Kuorman vaihdellessa nopeussäädetty moottorien käyttö vähentää sähkön kulutusta. Sähkömoottorien pyörimisnopeuden säädöllä saadaan poistettua erilaisten vaihteistojen ja ennen kaikkea kuristussäädön tarve. Se sopii erityisesti keskipakopumppujen, kompressoreiden ja tuuletinten käyttömoottoreille. Nopeussäädetystä käytöstä voivat hyötyä myös lingot, jauhimet ja työstökoneet. Moottorien nopeussäädetyn käytön etuja ovat myös: Prosessin parempi hallinta Mekaanisten osien kulumisen väheneminen Melutason laskeminen Pehmeäkäynnistys ja -pysäytys 12

Moottoreiden käyttö (4/4) Vaihteisto Vaihteistossa syntyvät häviöt voivat vaihdella 0 45 % välillä. Vaihteisto tulee olla oikein asennettu ja huollettu. Tarpeettomien moottoreiden kytkentä pois päältä Tarpeettomien moottorin kytkeminen pois päältä on helppo ja yksinkertainen tapa säästää energiakustannuksissa. Moottorin käyntiajan vähentäminen 10 % säästää enemmän energiaa, kuin standardimoottorin vaihtaminen energiatehokkaaseen. Moottorin kytkeminen pois päältä on mahdollista tehdä: Manuaalisesti Kaksioasento-ohjauksella (päällä tai pois) Aikakytkimellä Synkronoimalla muuhun prosessiin (esim. tuuletin on päällä vain kun työstökone on kytketty päälle) Jaksottamalla usean erikokoisen moottorin käyttämisen kuorman mukaan. 13

Sähköverkon laatu Jännitteen muutokset Aiheuttavat häviöitä moottorissa. Pystytään poistamaan verkon oikealla suunnittelulla ja käytöllä. Harmoniset yliaallot Harmoniset yliaallot aiheuttavat häviöiden kasvua ja moottoreiden tehon alenemista. Aiheutuvat mm. ylikuormitetuista muuntajista, verkon epäsymmetrisestä kuormituksesta ja taajuusmuuttajien käytöstä. Jännite-epäsymmetria Jännite-epäsymmetria suurentaa sähkömoottorien roottorihäviöitä, pienentää niiden momenttia ja lyhentää moottorin käyttöikää. Jännite-epäsymmetria aiheutuu mm. verkon epäsymmetrisistä kuormituksesta ja yhden vaiheen palaneesta sulakkeesta verkossa tai kompensointiparistossa. Moottorin kuormitus täydestä mitoituskuormasta % Moottorin hyötysuhde, % Jännite-epäsymmetria, % Nimellinen 1% 2.5% Eri jännite-epäsymmetrioiden vaikutus moottorin hyötysuhteeseen. [DOE 2008b] 100 94.4 94.4 93.0 75 95.2 95.1 93.9 50 96.1 95.5 94.1 14

Kunnossapito Huolto Moottoreiden käyttöikä pitenee huolellisen ja säännöllisen huollon ja kunnossapidon avulla. Moottorin huollontarpeeseen vaikuttavat sen toimintaolosuhteet, käyttötunnit sekä toimintahäiriöt. Korjaaminen vs. uusiminen Suurempia moottoreita korjataan usein useamman kerran niiden käyttöiän aikana. Puutteelliset korjauskäytännöt alentavat tyypillisesti moottoreiden hyötysuhdetta 0,5 4 %. Tehtäessä päätöstä moottorin korjaamisen ja vaihtamisen välillä, on otettava huomioon moottorin koko käyttöiän kustannukset, ei vain investointikustannuksia. Tekijöitä, jotka tulee ottaa huomioon mietittäessä moottorin korjaamisen ja vaihtamisen välillä: Sähkön hinta Moottorin teho Keskimääräinen kuormitus Käyttötunnit Uuden moottorin ja korjauksen hinta 15

YHTEENVETO: Ennen moottoreiden tehostamista tutki mahdollisuudet vähentää moottorin kuormitusta. Kiinnitä huomiota moottoreiden energiatehokkuusluokkaan. Mitoita moottori kuormituksen mukaan. Moottoreiden käyttö vaikuttaa niiden tehokkuuteen. Käynnistys Nopeussäädetty käyttö Tarpeettomien moottoreiden kytkeminen pois päältä Sähköverkon huono laatu ei saa häiritä moottoreiden toimintaa. Huolellisen kunnossapidon ja korjaamisen avulla moottorin hyötysuhde ja energiatehokkuus ei heikkene. 16

Motiva Oy. Sisältö: Jaana Federley, Teknillinen korkeakoulu, 2009. 17